Moderni kosmologia on syntynyt 1910- ja 1920-luvulla yleisen suhteellisuusteorian myötä. Murroksen nykyaikaiseksi täsmälliseksi tieteeksi katsotaan yleisesti tapahtuneen vasta kahden-kolmenkymmenen viime vuoden aikana. COBE-satelliitti julkaisi ensimmäiset havainnot kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksista ja lämpötilasta vuonna 1992. Havainnoista myönnetyn vuoden 2006 Nobelin palkinnon perusteissa todetaan, että "COBE-projektia voidaan pitää alkupisteenä kosmologialle täsmätieteenä". Teoriapuolella nykykosmologian alku sijoittuu hieman varhaisempaan aikaan 1980-luvulle. COBEa seurasivat monet tarkat kosmologiset havainnot tyypin Ia supernovista, galaksien jakaumasta, gravitaatiolinsseistä ja monesta muusta, ja nykyään niitä on suuri määrä.

Yhden esimerkin edistyksestä tarjoaa maailmankaikkeuden laajenemisen tahdin mittaaminen. Ensimmäinen havainto aiheesta vuonna 1929 oli pielessä tekijällä 7, ja vielä 80-luvulla laajenemisnopeudesta oli kiistaa. Yksi tutkimusryhmä oli pitkään sitä mieltä, että kahden pisteen näennäinen laajenemisnopeus on 50 km/s jokaista niiden välistä 3.26 miljoonaa valovuotta kohti, kun taas toisen mielestä arvo oli 100 km/s per 3.26 miljoonaa valovuotta. Tämänhetkiset havainnot antavat väitetyllä 3% tarkkuudella luvuksi 74 km/s per 3.26 miljoonaa valovuotta. (Olen vähän skeptinen ja laittaisin tarkkuudeksi korkeintaan 5%, mutta samoissa luvuissa liikutaan.) Siis esimerkiksi 700 miljoonan valovuoden päässä meistä oleva Shapleyn galaksien superrypäs näyttää etääntyvän nopeudella 16 000 km/s. Näennäinen nopeus on sitä isompi, mitä kauempana kohde on, koska välissä on enemmän tilaa, joka kaikki laajenee.

Ulkopuolisesta saattaa tuntua kummalliselta, että joku jaksaisi kiinnostua siitä onko laajenemistahti 50 vai 100, ja onko tarkkuus 3% vai 5%. Itse asiassa harvat kosmologitkaan välittävät näistä luvuista sinänsä. Kosmologisten suureiden arvot ovat mielenkiintoisia vain sen kautta, mitä niistä voidaan päätellä kosmologisista malleista. Esimerkiksi malleissa, joissa ei ole pimeää energiaa (tai sen vaihtoehtoja) maailmankaikkeuden laajenemistahdin pitäisi olla alle 50 kun maailmankaikkeuden ikä on kolmisentoista miljardia vuotta. Tästä voidaan päätellä, että on olemassa pimeää energiaa, yleinen suhteellisuusteoria ei päde, tai rakenteiden vaikutus laajenemiseen on merkittävä.

Virherajoilla on merkitystä sikäli, että havaintoja on useita erilaisia, ja kun johtopäätöksiä tehdään yhdistelemällä niitä monimutkaisissa analyyseissä, niin pitää tietää, kuinka paljon painoa millekin tiedonmurulle laitetaan. Jos eri havainnot eivät sovi yhteen oletetun mallin puitteissa, valtaosan ajasta tämä johtuu siitä, että virheitä ei ole hahmotettu oikein, ja vain harvoin on kyse siitä, että malli on väärin, toisin sanoen tieteellisen löydön tekemisestä. Virheiden tarkka ymmärtäminen on tieteen edistymisen perusta.

Havaintojen kehittyminen on vetänyt kosmologiaan paljon lisää väkeä, enimmäkseeen tähtitieteen (jota nykyään myös astrofysiikaksi kutsutaan) tai hiukkasfysiikan piiristä; itse kuulun jälkimmäisiin. Pieni osa on taustaltaan puhtaita yleisen suhteellisuusteorian tutkijoita. Kaikilla kolmella alalla on omat käytäntönsä ja kulttuurinsa, jotka kohtaavat kosmologiassa.

Tyypillisesti hiukkasfyysikot katsovat alaspäin astrofyysikoita, osittain siksi, että astrofysiikassa ei tarvita niin kehittynyttä matematiikkaa kuin hiukkasfysiikassa ja toisaalta sen takia, että astrofysiikan havainnot ja niiden analyysi olivat pitkään vähemmän hienostuneita kuin hiukkasfysiikassa. Yleisen suhteellisuusteorian tutkijoiden matemaattista osaamista arvostetaan, mutta heitä pidetään vähän outoina lintuina, jotka lentävät havaintoihin liittyvästä fysiikasta turhan kaukana. Yksi syy siihen, että 2000-luvun alussa "täsmäkosmologia" nousi muotisanaksi oli varmaankin se, että haluttiin korostaa samanlaisen kokeellisen ja teoreettisen menestyksen saavuttamista kuin mihin hiukkasfysiikka on yltänyt, verrattuna vanhaan suurpiirteiseen astrofysiikkaan tai matemaattisissa kehissä liikkuvaan suhteellisuusteoriaan.

Teoreettista ymmärtämystä pidetään yleisesti jotenkin hienompana ja suurempaa älykkyyttä vaativana kuin kokeiden ja havaintojen hallintaa. Toisaalta toisten alojen asiantuntijoita arvostetaan joskus heppoisin perustein, kun ei osata kunnolla arvioida näiden työtä.

En ole ihan varma, miltä asiat näyttävät astrofysiikasta tai suhteellisuusteoriasta tulevien näkökulmasta, mutta mielestäni hiukkasfyysikoilla on usein taipumus ajatella, että hiukkasfysiikassa menestyksen tuoneita menetelmiä ja ajattelutapoja voi sinällään soveltaa kosmologiassa, pysähtymättä miettimään tutkimuskohteiden eroja. Lisäksi arvostettujenkin hiukkasteoreetikkojen suhtautuminen kosmogiseen data-analyysiin on toisinaan aika naiivi. Monella menee myös sekaisin se, millainen maailmankaikkeuden pitäisi mallin mukaan olla ja se mitä taivaalla oikeasti näkyy. Puolivakavissaan voi sanoa, että mitä suurempi etäisyys tutkijalla on varsinaisiin havaintoihin, sitä varmempi käsitys hänellä on siitä, miltä maailmankaikkeus näyttää. Toisaalta havaintojen kanssa tekemisissä olevilla fyysikoilla saattaa olla turhan herkkäuskoinen suhde teoreettisiin malleihin.

Yhteistä on se, että kaikki arvostavat uusia havaintoja, joita kosmologia on runsaasti tarjonnut. Vaikka astrofyysikoille joskus hieman naureskellaan, niin silti spekulaatioiden parissa pitkään painineet hiukkasfyysikot LHC:n tuomisia odotellessaan vitsailevat, että astrofyysikot ainakin tekevät "oikeaa fysiikkaa".

Päivitys (30/04/11): Laajenemisnopeuden desimaalivirhe korjattu.

Kommentit (1)

Tiedon häntää - blogit - Tiede.fi

[...] Viime syyskuussa OPERA-koe ilmoitti havainneensa neutriinojen matkanneen CERNistä 730 kilometrin päähän Gran Sasson laboratorioon nopeammin kuin mitä valo olisi kulkenut. Lehdistötiedotteessa korostettiin, että on tärkeää tarkistaa tulos riippumattomilla mittauksilla ennen johtopäätösten vetämistä. Tuloksista ja niiden mahdollisista tulkinnoista kuitenkin uutisoitiin ympäri maailmaa. [...]

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto